1. Capítulo 1: Marco Teórico

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1 1. Capítulo 1: Marco Teórico En vista de que se pretende desarrollar un software que pueda ser aplicado como una herramienta útil para el tratamiento del trastorno de lateralidad y ubicación espacial en niños, es necesario tener un entendimiento claro acerca del tema que permita obtener un conocimiento específico acerca de los requerimientos funcionales y no funcionales que la propuesta de software debe satisfacer para cumplir con su objetivo. El marco teórico que sustenta el proceso de investigación y de desarrollo del software está conformado por dos aspectos muy distintos pero complementarios entre sí. La primera parte se enfoca completamente en el aspecto neurofisiológico del trastorno de lateralidad y ubicación espacial, enfocándose principalmente en su descripción, sus manifestaciones en los pacientes que lo padecen, las consecuencias que trae consigo, y las metodologías de tratamiento que pueden ser modeladas dentro de un ambiente virtual. La segunda parte tiene como objetivo presentar un panorama general de los conceptos y herramientas computacionales que son tomados en cuenta durante todo el proceso de elaboración del software que este proyecto propone. Se toman en cuenta dentro de esta segunda parte conceptos generales de realidad virtual, sistemas virtuales no inmersivos, interacción humano-computadora, y de los lenguajes de programación Java y VRML en su versión Parte I: El Trastorno de Lateralidad y Ubicación Espacial Es necesario mencionar que a pesar de que los lineamientos de este proyecto de investigación tienen implicaciones altamente relacionadas con aspectos que están, por definición, totalmente deslindados de cualquier área de la informática - como el psicológico o el neurológico - el proyecto en sí mismo es un proyecto técnico cuyo objetivo es incorporar un área relativamente nueva de las ciencias computacionales al tratamiento de un padecimiento neurofisiológico. En vista de que este proyecto pretende proponer una herramienta computacional que pueda llegar a ser utilizada como una alternativa al tratamiento del trastorno de lateralidad y ubicación espacial, es necesario presentar descripciones de las generalidades de este trastorno, sin profundizar en la complejidad de su trasfondo de estudio psicológico.

2 Lateralidad La doctora Guitart de Anza, experta terapeuta en psico-motricidad, establece que la patología de lateralidad es un trastorno neurofisiológico que se transmite hereditariamente y cuyas repercusiones abarcan el campo psicomotor del individuo. Los influjos nerviosos que proceden de uno u otro lado del cuerpo pueden confluir en los lados opuestos del cerebro. Si hay un problema de lateralidad, esta circulación no se hace ordenadamente, dificultando de esta manera el rendimiento intelectual y afectivo de la persona [GDA01]. En la entrevista con la psicóloga Norma Rodríguez (2002), se explicó que el trastorno de lateralidad y ubicación espacial también consiste en una alteración en la percepción de las nociones básicas (distinguir entre arriba, abajo, izquierda, y derecha) por parte del afectado. Además, el paciente presenta dificultades en distinguir su propio esquema corporal (brazo derecho y brazo izquierdo por ejemplo), así como las localizaciones físicas de objetos en el espacio. Un paciente que padezca de este trastorno presenta también dificultades en medir espacios y proximidad de objetos localizados dentro del entorno visible. El trastorno de lateralidad no solo afecta a las nociones básicas, de igual manera puede repercutir en cuestiones relacionadas con la clasificación de objetos de acuerdo a colores o formas, y en la conservación de la cantidad [RON02]. Evidentemente estos retrasos o padecimientos del sistema psicomotor del individuo afectado por este trastorno, tienen impactos negativos en su vida diaria. Principalmente inhibe el rendimiento intelectual y el desenvolvimiento social, y esto se traduce en lentitud, falta de concentración, falta de comprensión, deficiencias de escritura (mala letra y severas faltas de ortografía), problemas de lectura, cálculo, y matemáticas, y en algunos casos en deficiencias en el lenguaje. Ello conlleva a que se presenten dificultades de integración en su mundo escolar y familiar [GDA01]. El trastorno de lateralidad y ubicación espacial se manifiesta a través de distintos síntomas, los comunes son los siguientes: Problemas de concentración y compresión Ansiedad y angustia

3 Inestabilidad Agresividad Lenguaje escrito: disgrafía, disortografía, sintaxis Hipotonía, apatía, lentitud Matemáticas : aprendizaje mecánico, razonamiento Inseguridad Problemas de comunicación y relación Desmotivación, pre-depresión, depresión Inhabilidades motoras y funcionales El Tratamiento A pesar de la gran variedad de síntomas que se presentan en un paciente con trastorno de lateralidad y ubicación espacial, este trastorno es sumamente tratable y se tiene un gran porcentaje de éxito. En sus estudios, la doctora Guitart de Anza estima que a través de un tratamiento adecuado este problema puede disminuirse como mínimo en un 80%, pero que generalmente se aproxima al 100 %. El primer paso para recetar un tratamiento en contra del trastorno de lateralidad y ubicación espacial es realizar un diagnóstico preciso y bien delimitado. Esto se consigue a través de un examen completo de lateralidad que permite localizar las áreas afectadas por el padecimiento, la magnitud del daño en cada una de esas áreas, y la relación entre ellas (en caso de existir alguna). En base a los resultados del examen, se programa un tratamiento que consiste en una serie de ejercicios que estimulan la sinapsis, y los recorridos neurofisiológicos que activan el lóbulo cerebral correspondiente a la lateralización debida. El tratamiento del trastorno de lateralidad y ubicación espacial es un tratamiento práctico a través de ejercicios, y no se utilizan fármacos [GDA01]. 1 En general, el tratamiento consiste en someter al individuo a una serie de ejercicios y actividades que le permiten desarrollar sus habilidades psicomotrices y su conocimiento de las nociones básicas. Como se trata de infantes, estas actividades y ejercicios se representan por medio de juegos sensoriales y de conocimiento corporal. Cualquier 1 En este proyecto se asume que en el paciente el trastorno de lateralidad y ubicación espacial ya ha sido diagnosticado. En ningún momento se pretende utilizar la herramienta de software desarrollada como metodología de diagnóstico.

4 juego en el que paciente tenga que diferenciar derecha de izquierda ó arriba de abajo, clasificar objetos en base a características como color o forma, colorear algún dibujo por consigna (las áreas etiquetadas con el número 1 o con la letra r tendrán que ser pintadas de rojo, por ejemplo), identificar incongruencias, y completar secuencias, pueden llegar a ser utilizadas como actividades adecuadas para tratar el trastorno en cuestión. Claro que estas actividades se encuentran clasificadas en base a un nivel de dificultad, y el nivel de dificultad inicial del tratamiento de cada paciente se programa en base al diagnóstico que determine el terapeuta correspondiente. El nivel de dificultad de las actividades incrementa en proporción directa al desempeño del paciente [[RON02]. Una vez que termina el tratamiento, y se corrige el trastorno, no se producen recaídas ya que el tratamiento es meramente neurofisiológico. El paciente encuentra un funcionamiento acorde con sus capacidades, y puede integrarse sin dificultades en su entorno escolar, y también en el familiar [GDA01] Parte 2: Marco Teórico Computacional Como se mencionó anteriormente, ésta es una investigación técnica que tiene como objetivo desarrollar software con una aplicación específica. Las consideraciones para un proyecto de software que busca incorporar ambientes virtuales con una serie de requerimientos específicos son muy diversas. Tienen que tomarse en cuenta cuestiones como generalidades y especificaciones de realidad virtual, diseño de interfaces adecuadas que permitan una buena interacción humano-computadora, tipo de ambiente virtual que va a desarrollarse, conceptos de graficación en 3 dimensiones aplicables a través del lenguaje de modelado VRML 2.0, identificación de herramientas de programación de alto nivel que pueden ser utilizadas para desarrollar la aplicación, y recolección apropiada de requerimientos funcionales y no funcionales. Las secciones siguientes hablarán específicamente de cada uno de los aspectos mencionados anteriormente La Realidad Virtual Como Terapia

5 Hoy en día los ambientes virtuales son una opción viable de tratamiento para pacientes con padecimientos psicológicos por medio de lo que se conoce como Terapia de Exposición usando Realidad Virtual 2. Esta terapia consiste en exponer al paciente a un ambiente virtual que presenta al paciente el estímulo problema, (estímulo que origina el padecimiento psicológico) en lugar de llevar al paciente a un ambiente real donde el estimulo se encuentre disponible, ó hacer al paciente imaginar alguna situación ficticia. En general, este tipo de terapia ha sido empleada en el tratamiento de fobias [KOR02]. En los estudios llevados a cabo por los doctores Hodges y Rothbaum, quienes dirigieron al primer equipo de terapistas que condujo un estudio controlado de Terapia de Exposición usando Realidad Virtual, se determinó que las principales ventajas que se presentan al utilizar este tipo de terapia son las siguientes : Es eficiente respecto a su costo Muchos estímulos necesarios en terapia de exposición son difíciles de anticipar y mas aún de controlar, y cuando la terapia se lleva a cabo fuera del área de trabajo del terapeuta, se torna mas cara en términos de tiempo y dinero. Dentro de los ambientes virtuales los estímulos y demás variables son controlables, y la terapia puede programarse a un determinado número de sesiones. Es una terapia efectiva A través de esta terapia no solo se reducen costos, sino dado el hecho de que se lleva a cabo en los confines de un cuarto, se evitan problemas como los de exponer al paciente a vergüenza pública ó exponer al paciente a la agresividad que implica una exposición en-vivo. Adicionalmente, el terapista tiene la facultad de controlar la intensidad de los estímulos, y de aislar los parámetros más esenciales en la generación de la respuesta fóbica, o del padecimiento en cuestión. Aceptación por parte de los pacientes Este tipo de terapia ha mostrado ser de gran aceptación entre los pacientes, y esto puede reflejarse en el hecho de que esta es una tecnología con creciente popularidad. Tiene aplicación Remota (telemedicina) La Terapia de Exposición usando Realidad Virtual puede utilizarse como una opción de terapia a distancia. Dado que el paciente recibe la terapia dentro de un ambiente virtual, la clínica o 2 El nombre proviene de Virtual Reality Exposure Therapy, pero para fines de este proyecto el concepto será etiquetado como Terapia de Exposición usando Realidad Virtual.

6 institución que conduce la sesión de terapia puede estar presente físicamente, o participar a través de una red computacional. A pesar de que el trastorno de lateralidad y ubicación espacial no es de ninguna manera una fobia ó un padecimiento psicológico, este proyecto pretende demostrar que los principios y ventajas de la Terapia de Exposición usando Realidad Virtual pueden ser utilizados para tratar este trastorno eficientemente Ambientes Virtuales No Inmersivos Generalmente la primera idea que se viene a la mente de la personas cuando se mencionan las palabras realidad virtual involucra tecnología avanzada como los Head- Mounted Displays (HDM). Pero, es necesario establecer que los ambientes virtuales pueden ser ambientes inmersivos o no inmersivos. Los ambientes virtuales en general pueden ser clasificados en sistemas virtuales inmersivos, y en sistemas virtuales no inmersivos. Un sistema inmersivo reemplaza la vista al mundo real del usuario con imágenes generadas por computadora que reaccionan a la posición y a la orientación del usuario con respecto al mundo virtual. Un sistema virtual no-inmersivo deja al usuario visualmente conciente del mundo real, pero con posibilidad de observar el mundo virtual a través de un dispositivo de despliegue. El usuario navega por el mundo virtual por medio de un mouse o ratón, o algún dispositivo que le permita efectuar operaciones de movimiento. Este tipo de sistemas de ambientes virtuales también son conocidos como trough-the-window systems, o sistemas a través de la ventana. Estos nombres hacen referencia al hecho de que los ambientes virtuales no inmersivos pueden ser vistos a través de una estación de trabajo o computadora personal sin necesidad de un HMD, que es fundamental en sistemas virtuales inmersivos [VIJ95]. VRML es un lenguaje de modelado de ambientes virtuales que pueden ser vistos y navegados a través de un navegador de Internet. Es por esto que los ambientes virtuales que son propuestos en esta tesis son considerados como no-inmersivos.

7 Diseño de un Ambiente Virtual De acuerdo con Stuart, hay tres consideraciones esenciales que deben identificarse para poder definir de manera clara el diseño general del ambiente virtual que se presentará a los usuarios. Estas tres consideraciones son reconocer a los usuarios, definir claramente cual es la tarea del ambiente virtual que será diseñado, y la definición del ambiente trabajo o ambiente social donde se localizará el ambiente virtual respectivamente. Las cuidadosas evaluaciones de cada una de estas consideraciones son piezas fundamentales para la especificación de tecnología apropiada que no solo permita una eficiente interacción entre los usuarios y el sistema, sino también la creación de un sistema aplicable y altamente utilizable [STR96]. Las escenas o ambientes virtuales que se desarrollan dentro de este proyecto caen dentro de la clasificación de ambientes virtuales no-inmersivos, pero de igual manera se toman en cuenta las tres consideraciones anteriores con el fin de crear entornos virtuales cuyo objetivo se mantenga bien definido en cualquier etapa de su desarrollo. En los párrafos siguientes se elabora un poco más en cada una de las consideraciones de Stuart, y se aterrizan estos conceptos de acuerdo a los intereses de escenas virtuales que pueden fungir como auxiliar en el tratamiento del trastorno de lateralidad y ubicación espacial Identificando al Usuario En lo concerniente a la identificación del usuario con el fin de diseñar e implementar un ambiente virtual, así como en la construcción de cualquier interfaz de interacción humano-computadora, es de suma importancia el evitar caer en el error común de asumir que el usuario es exactamente igual a los creadores del sistema en todas las cuestiones pertinentes. Este error puede llevar a desarrollar un sistema cuya operación requiera de cierta pericia en el área por parte del usuario final. Es por esto que es necesario distinguir si el usuario es un principiante o un experto [STR96]. En el caso de la aplicación que esta tesis propone, se asume que los usuarios del sistema, tanto los

8 terapeutas como los pacientes, son principiantes. Aunque más adelante dentro de este capítulo se desglosa más detalladamente el concepto de lo que es un VRML browser, se adelanta el hecho básico de que este último tiene una serie de controles especiales que en sí mismos requieren de un poco de práctica para su entendimiento. Stuart propone algunos aspectos adicionales pertinentes a la identificación de los usuarios del ambiente virtual. Algunos de ellos abarcan cuestiones como el número de usuarios que trabajan con el sistema simultáneamente y la localización de los usuarios con respecto al sistema. Estas consideraciones no se toman en cuenta para el desarrollo de la aplicación propuesta debido a que el sistema solo trabaja con un usuario a la vez y que la aplicación no es remota, ni implementa cuestiones avanzadas como terapia a distancia 3. Sin embargo, algunas otras cuestiones como las diferencias psicológicas de los usuarios si fungen un rol importante en el desarrollo de las escenas virtuales que esta tesis pretende. En este sentido, se habla mas estrictamente de diferencias psicológicas relacionadas al desempeño de cada paciente con respecto a su edad. En vista de que el rango de edades de los pacientes que pueden llegar a recibir tratamiento a su trastorno a través de la aplicación propuesta es un rango amplio (5 a 14 años), es necesario que el software en sí, y las escenas virtuales que lo complementan, sea operable por individuos de cada edad respectivamente. Dentro del diseño de escenas virtuales hay una serie de especificaciones especiales para usuarios con incapacidades físicas. A pesar de que el trastorno de lateralidad y ubicación espacial es un desorden neurofisiológico con repercusiones serias en el desempeño intelectual y social de quien lo padece, no puede ser considerado como una incapacidad física como lo es la ceguera, la sordera, o cualquier tipo de retraso mental. Es por esto que estas especificaciones tampoco son tomadas en cuenta en la identificación de los usuarios de la aplicación objetivo. Entonces, a manera de síntesis y sin profundizar en detalles por el momento, puede establecerse que los usuarios de este sistema son: Terapeutas principiantes y sin experiencia en el manejo de escenas virtuales, que 3 En el capítulo 5 se establecen posibles expansiones a este proyecto, dentro de las cuales se deja abierta de la posibilidad de crear aplicaciones remotas basadas en el prototipo que se presenta en este proyecto.

9 se encuentran en el mismo lugar que el sistema. Pacientes dentro de un rango de edades de 5 a 14 años, principiantes, sin incapacidades físicas, y que se encuentran en el mismo lugar que el sistema Definiendo la Tarea del Ambiente Virtual La definición de la tarea del ambiente virtual es esencial para poder especificar los requerimientos de una aplicación con ambientes virtuales. Es necesario identificar los objetivos de la aplicación, qué tareas son necesarias para alcanzar esas metas, y cómo las tareas se van a cumplir dentro del ambiente virtual [STR96]. Stuart (1996), en su libro "The design of Virtual Environments", hace referencia a la clasificación de Wickens y Baker (1995) de los 4 tipos de tareas para las cuales pueden diseñarse ambientes virtuales. Sin embargo, Stuart incorpora 4 categorías adicionales a la clasificación de Wickens y Baker, y de esta manera se tienen 8 categorías de clasificación de tareas para las cuales pueden emplearse ambientes virtuales. Por fines prácticos, esta sección solo se enfocará en discutir aquellas categorías dentro de las cuales se encuentran clasificadas las escenas virtuales que esta tesis desarrollará como complemento a la aplicación de software propuesta. Los ambientes virtuales que este proyecto de tesis propone pueden ser clasificados dentro de la categoría de herramientas para investigar las capacidades motoras y de percepción del ser humano (ICMPH). De acuerdo con Stuart, este tipo de ambientes virtuales tienen requerimientos muy específicos que dependen de las características de desempeño humano que quieren ser estudiadas y evaluadas. En general, este conjunto de requerimientos debe proporcionar al investigador un grado de control y visualización sobre ciertos parámetros específicos de las modalidades que pretenden ser estudiadas. De cierta manera, las escenas virtuales que se desarrollan para este proyecto también incorporan ciertos aspectos de aplicaciones de entretenimiento, si es que se ven bajo el enfoque de que el tratamiento para el trastorno de lateralidad y ubicación espacial en

10 general consiste en actividades prácticas que se llevan a cabo a través de juegos y actividades un tanto infantiles, y que son precisamente este tipo de actividades las que serán modeladas para su incorporación en escenas virtuales. En general, los ambientes virtuales con fines de entretenimiento no tienen ningún propósito mas allá de la satisfacción del usuario, y cómo esta cuestión está totalmente ligada al gusto de cada persona, es muy difícil obtener una lista de requerimientos generales que puedan emplearse en cada aplicación de entretenimiento que vaya a desarrollarse [STR96]. De acuerdo a la información que se presenta en la tabla 1.1, los siguientes 2 criterios de evaluación son cruciales para estos 2 tipos de aplicaciones (aplicaciones para investigar las capacidades motoras y de percepción del ser humano, y aplicaciones de entretenimiento). Se presentan en la tabla 1.1 los propósitos de cada una de estas categorías de aplicación, sus criterios de evaluación, y algunos aspectos importantes que deben ser tomados en cuenta: Categoría de la aplicación ICMPH Entretenimiento Tabla 1.1 Clasificación de Ambientes Virtuales de Stuart Propósito Uso de Ambientes Virtuales para estudiar capacidades humanas Uso de Ambientes Virtuales para producir placer al usuario Criterios para determinar el éxito La posibilidad de aislar los fenómenos que serán estudiados El usuario disfruta la experiencia Aspectos importantes Control del sistema, desempeño del mismo, repeticiones, y flexibilidad. Seguridad, higiene, costo, facilidad de uso. Cada uno de estos criterios es tomado en cuenta para el diseño y desarrollo de los ambientes virtuales que se generarán dentro de la aplicación de software para tratar el trastorno en cuestión Definición del Ambiente El ambiente en el cual la aplicación (ambiente virtual) va a ser usada puede definirse de diversas maneras, empezando por el lugar físico de localización de la aplicación, el

11 ambiente social donde se encuentra la aplicación, y el ambiente de trabajo donde se trabajará con la aplicación [STR96]. En lo referente al lugar físico, el sistema que ésta tesis propone no ocupa tecnología avanzada (como el head-mounted display, o cabinas de simulación) dentro del campo de la Realidad Virtual y por ende una gran cantidad de espacio físico no es necesario; de hecho, las escenas y ambientes virtuales que serán desarrollados estarán basadas en el lenguaje de programación y modelado VRML (se hablará mas al respecto posteriormente), cuyo objetivo primordial es el de crear ambientes virtuales que puedan ser vistos a través de un web browser. Esto proporciona a las escenas virtuales la posibilidad de poder ser vistas a través de cualquier computadora que disponga de un web browser complementado por un VRML browser. El ambiente de trabajo pretende ser cualquier centro o institución en el cual se imparte a pacientes tratamiento al trastorno de lateralidad y ubicación espacial. El entorno social no es realmente relevante para los propósitos de esta tesis Requerimientos Generales Cada aplicación de software que incorpore ambientes virtuales a sus funcionalidades tiene requerimientos funcionales y no funcionales que son propios de la misma especificación del software. Sin embargo, Stuart establece que dentro del diseño de ambientes virtuales hay requerimientos que tienen que ser considerados en casi cualquier implementación de un ambiente virtual. Estos requerimientos generales son los siguientes [STR96]: Sociabilidad y Conectividad Veracidad Inmersión, Participación, y Presencia Resolución Re-configuración Responsividad Robustez Puntos de vista Representación del usuario

12 Grado de virtualidad Registro Ancho de banda de entrada y salida Requerimientos multi-sensoriales Interactividad Técnicas de Navegación. En la sección , Definición de la Tarea del Ambiente Virtual, se presentó una categorización de los ambientes virtuales basada en la tarea objetivo de cada uno de ellos respectivamente. Ahora, el listado de requerimientos generales que se presentó anteriormente no es relevante para cada una de las 8 categorías de Wickens, Baker, y Stuart. Para una aplicación de ambientes virtuales que se encuentre clasificada dentro del grupo de herramientas para investigar las capacidades motoras y de percepción del ser humano, y que se encuentre a su vez complementada por aspectos de aplicaciones de entretenimiento, Stuart explica los requerimientos generales que hay que tomar en cuenta: Inmersión En aplicaciones ICMPH el grado de inmersión depende en realidad del experimento. Como ya se aclaró anteriormente, los ambientes virtuales que este proyecto propone son ambientes no-inmersivos. No es necesario que el usuario pierda noción del mundo real al interactuar con el sistema, y es por esto complementado por un alto factor de portabilidad que VRML 2.0 es una herramienta altamente compatible con los propósitos de esta tesis. Participación e Interactividad Tanto para aplicaciones de entretenimiento como para aplicaciones ICMPH, la participación del usuario es crucial. La interacción del usuario con el entorno virtual es pragmáticamente la parte esencial de este proyecto. Resolución - Es importante considerar este punto dentro de los lineamientos del lenguaje VRML 2.0 que serán discutidos posteriormente. Re-configuración Dentro de este proyecto este requerimiento será considerado cuando se hable de cómo puede expandirse el prototipo de software para hacer

13 aplicaciones basadas en la misma hipótesis de este proyecto pero con mayores áreas de aplicación. Responsividad - El ambiente virtual tiene que ser predecible, y altamente controlable tanto en una aplicación de entretenimiento como en un una aplicación ICMPH. Robustez y Estabilidad Éste siempre es un requerimiento, y no solo en aplicaciones de ambientes virtuales. En todo proyecto computacional siempre existe el objetivo de que el sistema cuente con acciones de contingencia que disminuyan la ocurrencia de errores catastróficos. Puntos de Vista Es muy importante dado que hay que seleccionar cuidadosamente como van ser presentados los mundos virtuales al usuario final. Es necesario tener puntos de vista que permitan regresar al estado inicial, o moverse a un punto determinado dentro el ambiente virtual con el que se este efectuando una interacción. Registro Mayer, Applewhite, y Biocca (1991) definen el registro de un sistema virtual como la correspondencia entre una posición física y orientación con respecto a una posición física y orientación que se dan como parámetros de referencia (es decir, la comparación entre lo que se tiene y la especificación). En general, es la correspondencia que la geometría de un ambiente virtual tiene con respecto a la geometría de un ambiente real. En aplicaciones de entretenimiento este no es un requerimiento considerable debido a que el registro puede ser totalmente imaginario y arbitrario. En aplicaciones ICMPH depende del experimento, y para los fines de este proyecto a las escenas virtuales se les da una perspectiva lo mas atinada posible con respecto a la visualización de un entorno real. Técnicas de Navegación Según Stuart, cualquier técnica de navegación es apropiada para ambos tipos de aplicaciones, siempre y cuando permita que el usuario tenga la interacción apropiada con el sistema. Para este proyecto se pretenden utilizar lenguajes de programación de alto nivel, como lo es Java y en algunos casos JavaScript, para auxiliar al VRML browser en su funcionalidad de movimientos y comandos.

14 Los requerimientos funcionales de este proyecto que no queden debajo de la descripción de requerimientos generales son específicos de la aplicación a desarrollar. Hay requerimientos relacionados con los lenguajes Java y VRML 2.0, pero estos serán discutidos posteriormente y paralelos al desarrollo del mismo sistema Virtual Reality Modeling Language (VRML) VRML es un acrónimo para Virtual Reality Modeling Language. A través de la utilización de VRML pueden crearse mundos virtuales tridimensionales que pueden ser accedidos a través de Internet [AMN97]. En general, el poder de VRML en su versión 2.0 reside en que permite crear ambientes virtuales dinámicos y sensibles a las acciones de los usuarios con las siguientes características principales: Objetos animados que presentan movimiento dentro del ambiente Reproducción de sonidos y de videos Interacción de los usuarios con el mundo virtual Control y enriquecimiento de los ambientes virtuales a través de scripts, que son programas que se crean para actuar dentro del ambiente virtual. Todas estas características pueden añadirse a una escena virtual creada en VRML 2.0 sin perder la premisa de que la escena virtual generada a través de este lenguaje siempre podrá ser vista a través de Internet a través de un VRML browser [AMN97] VRML Browser o Navegador VRML Un navegador de Internet es una herramienta de software cuya funcionalidad fundamental es la de acceder documentos formateados en HTML (Hyper Text Markup Languange) para traducirlos en diferentes efectos de texto e imagen. Cuando un

15 navegador de Internet sigue un URL 4, extrae un archivo del Web y revisa el tipo de contenido que describe la información en el archivo. Si el archivo en cuestión contiene datos en algún formato que el navegador de Internet reconoce, entonces lo despliega. Para presentar otro tipo de información, que no sean imágenes, texto, o código HTML, el navegador de Internet requiere de la intervención de aplicaciones adicionales (plugins) diseñadas específicamente para entender los contenidos y formatos de esos otros tipos de información. Para poder desplegar un ambiente virtual descrito a través de VRML 2.0, es necesario contar con alguna aplicación adicional al navegador de Internet. Este tipo de aplicación adicional o plug-in es lo que se conoce como un VRML Browser o navegador VRML [AMN97]. Dado que un navegador de Internet tradicional y un VRML Browser se adquieren por separado, se debe configurar al navegador de Internet de tal manera que entienda que cuando se extrae de un URL algún documento que tenga contenido especifico para VRML 2.0, tiene que solicitar la ayuda del VRML browser. En términos generales el VRML browser trabaja de la manera descrita a continuación: cuando el browser recibe el documento requerido, éste se analiza sintácticamente, es decir, el browser lo lee para entenderlo. Después de elaborar una descripción, el sistema de acabado (en ingles renderer ) crea y despliega representaciones visuales de los objetos descritos en el documento. Es ahora cuando se puede observar en pantalla un mundo o escena virtual descrita a través de comandos y líneas de ejecución VRML. En general, todos los VRML browsers disponibles en el mercado cuentan con alguna interfaz de navegación que le permite explorar o interactuar dentro de la escena [PEM96]. Desafortunadamente, los browsers VRML que se encuentran hoy en día disponibles en el mercado son desarrollados por compañías diversas que desarrollan productos con el mismo objetivo pero con funcionalidades y especificaciones diferentes. Este estudio se desarrolla bajo la especificación de Cortona VRML Client en su versión 4.0 [PAG02], que es un VRML browser muy popular y altamente funcional desarrollado por ParallelGraphics. Cortona VRML Client es un producto gratuito que puede adquirirse a 4 URL, Uniform Resource Locator, es la dirección de un documento en el Web.

16 través del sito web oficial de la compañía que lo produce. El URL de esta compañía puede consultarse en el Apéndice A incluido en este documento. Las escenas virtuales o mundos VRML pueden distribuirse, es decir, encontrarse localizadas en diferentes partes o URL s dentro del Web. Así como una página HTML puede incluir texto proveniente de un punto e imágenes extraídas de otro lugar, los mundos VRML pueden especificar de donde provienen sus escenas [PEM96] Estructura de VRML 2.0 Al igual que en cualquier otro lenguaje de programación, las escenas virtuales en VRML tienen que seguir un formato determinado y cumplir con una estructura específica con el fin de que las instrucciones puedan ser entendidas por la computadora y por el software. En el caso de VRML 2.0, todo comienza con un archivo VRML. Los archivos VRML tienen como extensión.wrl, lo cual indica que el archivo contiene la descripción de un mundo VRML. Un archivo VRML es una descripción textual del mundo VRML. En si es un archivo que contiene texto, y en estas instrucciones de texto se describe el como construir formas, donde colocarlas, de que tamaño deben construirse, y otras características como color, textura, iluminación, sombreado, etcétera [AMN97]. Un archivo VRML puede contener 4 tipos principales de componentes, que son: El encabezado VRML Prototipos Formas, interpolaciones, censores, y scripts Rutas o direccionamientos

17 El encabezado VRML debe ser la primera línea del archivo VRML, y en este encabezado se puede encontrar información referente a la versión de la especificación VRML que se utiliza en el archivo, y la codificación de los caracteres [AMN97]. Es ahora necesario establecer que las escenas virtuales desarrolladas dentro de este proyecto se realizan dentro de la versión 2.0 de la especificación VRML, y la codificación internacional de caracteres UTF-8 5. Entonces, el encabezado VMRL que se utiliza es el siguiente: #VRML V2.0 utf8 Un archivo VRML contiene nodos o agrupaciones de nodos que describen formas y sus propiedades dentro del mundo donde serán presentadas estas formas. De acuerdo con Ames [AMN97], los nodos son los bloques con los que se construyen cosas en VRML. Los nodos describen formas, colores, luces, puntos de vista, donde y como orientar formas, animaciones, censores de tiempo, y scripts. En general los nodos contienen un tipo, indicadores del principio y fin de la declaración de un nodo, y campos descriptivos de ciertos atributos del nodo. Más adelante dentro de esta sección se habla de algunos de los nodos mas frecuentemente utilizados en este proyecto. Entonces, considerando lo mencionado anteriormente, podemos concluir que un archivo VRML consiste de una serie de nodos que describen un mundo o escena virtual que puede presentarse a través de un VRML browser y la plataforma del Web Formas en VRML Una forma en VRML es un objeto que se presenta en algún determinado lugar dentro del mundo o escena virtual. En VRML, las formas constituyen el elemento básico de construcción de un mundo VRML, y se crean en base a nodos descriptivos, cada uno de estos nodos descriptivos acompañados de sus campos de especificación [AMN97]. 5 UTF-8 es un Standard para poder teclear caracteres en diferentes lenguajes. Contiene todos los caracteres que se encuentran en un teclado de cualquier computadora, y de esta manera pueden utilizarse todos estos caracteres dentro de un archivo VRML.

18 En VRML una forma tiene una geometría que define su estructura en 3-D, y tiene una apariencia basada en algún material, o en algún color. VRML soporta algunas formas primitivas, como lo son cubos, cilindros, conos, y esferas. Pero también pueden definirse formas más complejas y avanzadas a través de deformaciones, y planillas de elevación. En las figuras que se presentan a continuación se muestran formas primitivas de VRML: (a) Cubo (b) Esfera (c) Cono Figura 1.1: (a) un cubo en VRML (b) una esfera en VRML (c) un cono en VRML Espacio en VRML En un archivo VRML los nodos y los campos descriptivos proveen al VRML browser de instrucciones detalladas para crear los elementos de la escena virtual. Pero es también necesario el especificar instrucciones que indiquen los tamaños precisos y las distancias entre los elementos para de esta manera poder controlar la colocación de las formas dentro del espacio 3-D del mundo VRML. VRML construye formas en tres dimensiones, y es por esto que es necesario que al construir formas, y colocarlas en algún lugar determinado dentro de la escena o mundo virtual, se especifique dentro del archivo VRML un conjunto de coordenadas que, respecto a los ejes geométricos X, Y, y Z, indique la posición con respecto al origen (en el caso de VRML el origen es el punto 0, 0, 0) del objeto o forma que se construye. Las formas siempre se construyen dentro de un sistema coordenado. En VRML el sistema coordenado inicial es el origen, pero pueden declararse sistemas coordenados que sean hijos de otro sistema coordenado. Este es un elemento muy poderoso de

19 VRML, ya que por medio de declarar sistemas coordenados relativos a otro sistema coordenado, pueden añadirse objetos al mundo VRML cuyos datos de posicionamiento se especifiquen con respecto a otro objeto, y no necesariamente con respecto al origen del mundo VRML. Con este acercamiento se tiene el poder de crear los componentes del mundo VRML por separado. Cada forma que se construya se crea en base a su propio sistema coordenado y posteriormente se especifica su colocación con respecto al sistema coordenado padre [AMN97] Algunos Nodos en VRML El Lenguaje de Modelado de Realidad Virtual cuenta con una gran variedad de nodos que se utilizan para especificar la apariencia, colocación, comportamiento, y eventos de una escena virtual o mundo VRML. Algunos de los nodos fundamentales son aquellos que se refieren al agrupamiento de objetos, la definición de la forma de un objeto, la colocación de los objetos con respecto a un eje coordenado, la apariencia del objeto, la importación de objetos, y programas de comportamiento o scripts. Estos nodos se describen en sus generalidades en los párrafos subsecuentes. Todas las formas en VRML se construyen a través del nodo Shape. Pueden utilizarse las formas geométricas primitivas (Box, Cone, Cylinder, Sphere) o pueden construirse formas más complejas a través de declaraciones de puntos en espacios coordenados, y de deformnaciones [AMN97]. El nodo Transform crea un nuevo sistema coordenado relativo al sistema coordenado padre. Las formas que se encuentren agrupadas bajo la declaración de este nodo se construyen en base al sistema coordenado que especifique este nodo. Este nodo tiene algunos atributos, llamados fields o campos, dentro de los cuales destacan: translation especifica la colocación y las direcciones entre el origen del sistema coordenado padre, y el origen del sistema coordenado declarado por el nodo Transform. Esta especificación se realiza en base a un punto dado en los ejes X, Y, y Z [AMN97].

20 rotation como su nombre lo indica, rota un objeto en base a un eje. Es necesario especificar el eje de rotación, y el ángulo de la rotación medido en radianes [AMN97]. scale especifica el tamaño de un objeto con respecto a los ejes X, Y, Z [AMN97]. La apariencia de un objeto se puede definir a través del nodo Appearance. Este nodo tiene dentro de sus atributos el campo material, y como valor a este campo puede asignarse una descripción dada a través del nodo Material. El nodo Material especifica los atributos materiales o visuales de una forma u objeto. El nodo Material tiene campos para especificar el color cuyo valor este dado en la escala RGB 6, el brillo, nivel de transparencia, color emisivo ( contaminación del ambiente proveniente del color de un objeto), y algunos otros más [AMN97]. Los nodos pueden agruparse a través del nodo Group. De igual manera, el VRML browser interpreta que todo lo que se encuentra debajo de un nodo Group, es un solo objeto. Es decir, si a través de otros nodos se construye un cubo y un cilindro que se encuentran declarados bajo el mismo nodo Group, el VRML browser manipulará al cubo y al cilindro como si fueran un solo objeto [AMN97]. El campo o atributo principal de este nodo es el campo children, bajo el cual se indica todo lo que conjunta o agrupa el nodo Group. Para importar elementos a una escena virtual que no se encuentren descritos dentro del archivo VRML que declara la escena virtual en cuestión, se utiliza el nodo Inline. El nodo Inline permite crear cada una de las formas de un mundo en archivos VRML separados. Se pueden programar cada una de las formas y probarse por separado, y una vez que se tiene la certeza de que todo es correcto, se pueden importar a un archivo VRML que funja como presentador o contenedor principal. El nodo Inline tiene campos que le indican donde se encuentra y que objeto o forma va a importarse [AMN97]. 6 La escala RGB (Red Green Blue) se refiere a descripción de colores basado en su composición o cantidad de rojo, verde, y azul. La escala se da en 3 valores decimales entre 0 y 1, donde el primer valor corresponde al rojo, el segundo al verde, y el tercero al azul. El color rojo, por ejemplo, es

21 VRML en su versión 2.0 cuenta con muchos más nodos funcionales, sin embargo el mencionar todos y cada uno de estos nodos estaría fuera del alcance de estudio. En el capítulo correspondiente al desarrollo del software como tal, se hablará de algunos nodos más relevantes en su momento. Los nodos que se describieron anteriormente podría decirse que son los básicos para crear formas en VRML 2.0. A continuación se presentan ejemplos de código de un archivo VRML, y de su resultado al ser visualizado en un VRML browser Ejemplo Funcional de VRML 2.0 En la sección , Formas en VRML, se presentan figuras de algunas formas primitivas con las que cuenta VRML 2.0. Sin embargo, hasta el momento no se ha presentado el código o declaración de instrucciones que tienen que escribirse en el archivo VRML para obtener el resultado de una forma desplegada en el VRML browser. A continuación se presenta un pequeño ejemplo de lo que es un programa en VRML para crear una forma primitiva de cilindro de color blanco. El ejemplo servirá para ilustrar la manera en que se estructura un archivo VRML tomando en cuenta el concepto de agrupación de los nodos funcionales. El código es el siguiente: 1 #VRML V2.0 utf8 2 Group{ 3 children[ 4 Shape{ 5 appearance Appearance{ 6 material Material{diffuseColor } 7 } 8 geometry Cylinder{ 9 radius height } 12 } 13 ] 14 } Figura 1.2 Ejemplo funcional en VRML

22 Cómo se mencionó anteriormente, la primera línea de un archivo VRML tiene que ser el encabezado VRML. Posteriormente se declara un nodo Group, junto con su campo children, para indicarle al VRML browser que todo lo que se encuentra entre la apertura Group/children debe tomarse en cuenta como un solo elemento. Posteriormente se declara un nodo Shape, con sus campos de apariencia y material a los cuales como valor se les dan los nodos Appearance y Material respectivamente. Dentro del nodo Material se utiliza el campo diffusecolor para indicarle al VRML que la forma que se va a construir tendrá un color especificado en la escala RGB; en el caso del color blanco el valor RGB correspondiente es Por último, se utiliza el campo geometry del nodo Shape para crear una forma geométrica, en el caso del ejemplo que se presenta se da como valor el nodo Cylinder para construir una forma primitiva cilíndrica. El nodo Cylinder tiene los campos radius y height para especificar las dimensiones del cilindro que va a construirse. Los valores de estos campos están dados en unidades de VRML 2.0. La declaración de un nodo en VRML comienza con el nombre del nodo seguido del caracter de apertura {, y termina con el caracter de cierre }. El código que se presentó anteriormente produce el siguiente resultado en el VRML browser: Figura 1.3: un cilindro simple en VRML A través de anidar los diferentes nodos que ofrece el lenguaje VRML en su versión 2.0, pueden crearse mundos complejos y escenas virtuales más complejas y complementadas por sonidos, videos, efectos de iluminación y sombreado, y como el elemento mas importante de este proyecto, scripts de comportamiento. Las generalidades de los scripts de comportamiento se discuten en la sección siguiente.

23 Conectando VRML y Java A pesar de que VRML es un lenguaje de modelado que tiene grandes capacidades en lo que a graficar en 3D se refiere, no es lo suficientemente robusto como para por sí solo poder realizar operaciones complejas que extiendan la funcionalidad de los nodos disponibles para VRML 2.0. Afortunadamente, los desarrolladores del Virtual Reality Modeling Language en su versión 97, dejaron abierta la posibilidad de conectar los nodos de VRML a lenguajes de programación de alto nivel que pueden ser utilizados para llevar a cabo operaciones que excedan las capacidades de VRML. Como ya se ha mencionado anteriormente, el objetivo de este estudio es el de desarrollar una herramienta computacional basada en ambientes virtuales presentables a través de Internet que pueda ser utilizada como auxiliar en el tratamiento del trastorno de lateralidad y ubicación espacial. Sin embargo, la complejidad de las actividades de juego y entrenamiento que pretenden modelarse, impide que se utilice VRML 2.0 como herramienta de desarrollo exclusiva. Es por esto que este proyecto se apoya en el lenguaje de programación Java para auxiliar a VRML en sus tareas. Afortunadamente, el WEB3D Consortium presenta una especificación formal que sirve como referencia para crear escenas VRML que interactúen con Java [W3D02]. Adrian Scott estableció en 1996 que existen 2 metodologías principales de conectar VRML con Java: a través de scripts de comportamiento programados en Java, y por medio de la External Authoring Interface (EAI) [SCA96]. Por medio de los scripts de comportamiento, se pueden usar clases Java (*.class) que afecten el mundo VRML. Con nodos Script, básicamente se esta creando un nuevo nodo que asociado tiene campos y eventos. A través de la EAI, se pueden crear aplicaciones externas que manipulen el mundo VRML asociado a estas aplicaciones 7 [SHY02]. 7 Yuri Shamraev y Mikhail Timofeev son empleados de la división de soporte técnico para la compañía Parallel Graphics. Durante la fase de desarrollo de este proyecto, se sostuvo comunicación electrónica con estas personas. Las comunicaciones más importantes se presentan en el Apéndice E.

24 Este proyecto se basa fuertemente en la conexión de VRML, Java, y JavaScript a través de scripts de comportamiento. Los detalles de esta conexión se discuten en el capítulo 3, que detalla el desarrollo de la herramienta propuesta por este estudio.